應急通信場景下基于DTN的消息傳輸算法研究

摘? 要：為了解決傳統延遲容忍網絡（Delay Tolerant Networks， DTN）路由算法在災后復雜場景中數據投遞率低、延遲高、路由開銷大等問題，提出適用于災后場景的DTN路由算法。該算法分析災后場景中節點的特點，根據節點的規律性移動軌跡，計算每個節點到已知目的地的路徑成本。再綜合考慮節點的剩余緩存，使用熵權法平衡上述參數，計算副本分配數量。文中使用模擬器仿真了該方案，并將結果與以前的DTN路由算法進行了比較。評估結果表明，與以前的方法相比，文中方法減少了每條消息的資源開銷，同時能夠保持良好的傳遞率。

關鍵詞：中繼節點；DTN；路由算法；應急通信

中圖分類號：TP391.4；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）09-0086-04

Abstract： In order to solve the problems of low data delivery rate， high latency， and high routing overhead of traditional delay tolerant network routing algorithms in complex post disaster scenarios， a DTN routing algorithm suitable for post disaster scenarios is proposed. This algorithm analyzes the characteristics of nodes in post disaster scenarios and calculates the path cost of each node to a known destination based on its regular movement trajectory. Taking into account the remaining cache of nodes， the entropy weight method is used to balance the above parameters and calculate the number of replica allocation. The scheme is simulated by using a simulator in this paper， and the results are compared with previous DTN routing algorithms. The evaluation results show that compared with previous methods， the proposed method reduces the resource overhead of each message while maintaining a good delivery rate.

Keywords： relay node; DTN; routing algorithm; emergency communication

0? 引? 言

網絡中的所有節點設備均支持TCP/IP協議，網絡中的安全機制可以保證消息的不丟包。然而近些年來，由于世界各地自然災害頻繁發生，造成了難以估量的經濟損失以及無法抹去的傷害，并且使得許多情況無法使用TCP/IP協議。災后恢復通信對于后期的救援工作非常重要，因為只有在了解災后情況的前提下，救援隊才能更好地組織救援行動。

在實際自然環境下，由于緊急、突發情況往往是不可預測的，因此重大的災難發生后往往會造成大范圍的電力、道路以及通信設備的損毀，同時還會出現通信業務需求激增等現象，這時便可能會出現災區通信困難、網絡資源受限、數據傳輸擁塞，從而出現不能正常進行通信等問題。因此，災后應急通信網絡如何有效地建立是一個具有重要研究意義的方向。

1? 相關技術

延遲容忍網絡（Delay Tolerant Networks， DTN）是美國NASA噴氣式推進實驗室為解決星際互聯網（Interplanetary Internet）提出的一種網絡體系。在應急通信網絡場景中，由于節點具有移動性，節點之間通信鏈路不完整，網絡拓撲結構動態變化，傳統的TCP/IP協議無法使用，因此，通過在傳輸層和應用層之間引入Bundle層，采用“存儲—攜帶—轉發”機制解決網絡中間歇性連接，高延遲高誤碼率等問題。對應的網絡結構如圖1所示。

容遲容斷網絡（Delay and Disruption Tolerant Networks， DTN）是一種適應較高延時、頻繁中斷、異構互聯、端到端連接不能保證的新型網絡體系，作為MANET和WSN的發展，在災后場景中應用將十分廣泛。

2? 算法過程

2.1? 路由算法

在災后場景中實體的運動不是完全隨機的，災害響應網絡中存在著遞歸性。具有這樣一些規律：物資被送到避難點，警車按照計劃路線巡邏，消防車不斷從消防站出發，志愿者最終到達相同的避難點。此外，還存在許多可用于消息的靜態點交接。例如，避難點、學校、消防站和滯留在公共路線上的車輛都可以作為中繼站，將數據從一個移動實體傳遞到下一個實體。

所以我們需要建立一個相互接觸圖，如圖2所示，其中一個頂點表示兩個節點之間的相遇。兩個頂點之間的邊表示兩次相遇之間的延遲。例如ij表示節點i和j之間的相遇。如圖2，假設節點i沿著一條路線行走30分鐘。節點在這條路線上相繼遇到j節點和k節點，大約間隔3分鐘。之后，i在遇到k之后再間隔27分鐘才會再次看到j。因此，在頂點ij和ik的接觸圖中存在延遲3分鐘的有向邊。在頂點ik和ij之間存在一個延遲27分鐘的有向邊。這種不對稱性解釋了為什么相互接觸圖中的邊是有向的。

相互接觸圖中維護的每條邊ij?ik都由兩個值的元組（δ（ij?ik）， σ2（ij?ik））進行標記，其中δ（ij?ik）是節點i從經過節點j到經過節點k的平均延遲，σ2（ij?ik）是對應的延遲方差。我們將相互接觸圖中的路徑表示為：ij?w是從聯系人ij到節點w的路徑。由于期望的線性和在邊緣獨立的假設下，我們定義路徑延遲表示為d（ij?w），路徑方差表示為σ2（ij?w）。如果從初始聯系人到目的地有多個路徑，則將存儲最佳路徑的參數以用于路由目的。通常并非所有節點都具有相同的網絡視圖，因此從給定節點的角度定義路徑延遲和方差是有意義的。因此，我們定義di（ij?w）和σ2i（ij?w）來表示由節點i計算的路徑延遲和方差。

在該算法中，接觸圖中頂點ij處的目的地w條目包含相應的路徑延遲di（ij?w）和方差σ2i（ij?w）。我們將這兩個值存儲為節點i到達目的地w的最佳路徑的參數。

該算法存儲最優路徑的參數。因為傳遞概率取決于消息在途中已經花費了多長時間。因此，無法建立與消息參數無關的最優路徑。相反，為了確定要在路由表中存儲其參數的路徑，我們提出一個與消息無關的替代路徑成本，定義為路徑延遲的第95個百分位，如式（1）：

然后鄰居按pk降序進行排序。每個鄰居k按此順序分配Pk×L個副本，并且從L中減去這些分配。該過程繼續進行，直到L用完或直到所有鄰居都已被考慮。

4? 仿真結果

4.1? 仿真實驗概述

本文采用ONE（Opportunistic Network Environment）模擬器進行仿真實驗，該仿真模擬器是基于Java開發，適用于DTN網絡仿真環境的路由算法模擬，并提供數據研究分析工具。我們將本文算法（BDECS）與傳統路由算法Epidemic算法相比較，通過平均時延、投遞率和網絡開銷三個指標進行對比。該仿真環境中設置50～300個普通節點，仿真時間為72 h，所有結果均是10次仿真的平均值，默認仿真參數如表3所示。

4.2? 仿真結果及分析

根據延遲容忍網絡自身的特點，本文選用平均時延、投遞率和網絡開銷三種指標分析該算法的性能。隨著節點個數的增加，數據投遞率都呈現出緩慢上升的變化趨勢，但該算法明顯較傳統算法網絡開銷少，平均時延低。這是因為節點個數增多，增加了節點之間的接觸，可以找到更好的中繼節點選擇，并且該算法考慮了節點的剩余緩存，從而減少了平均時延和網絡開銷。詳細如圖3至圖5所示。

5? 結? 論

本文使用了一種用于容錯網絡的新型多副本路由協議，組建災后場景中的通信網絡，其目標是滿足災后場景中的通信需求。本文提出了一種基于路徑成本的方法，該方法使用一種名為“接觸間延遲”的新路由度量來計算到達目的地的路徑和成本，并充分考慮了節點的剩余緩存，使用熵權法平衡參數，從而選擇最佳中繼節點。仿真結果表明，通過仿真評估不同節點數量對網絡場景的影響程度與上述映射模型得到的理論結果相一致，驗證了該模型的有效性。

參考文獻：

[1] FALL K. A delay-tolerant network architecture for challenged internets [C]//Proceedings of the 2003 conference on Applications， technologies， architectures， and protocols for computer communications.New York：Association for Computing Machinery，2003：27-34.

[2] UDDIN M Y S，AHMADI H，ABDELZAHER T，et al. A Low-energy， Multi-copy Inter-contact Routing Protocol for Disaster Response Networks [C]//2009 6th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor， Mesh and Ad Hoc Communications and Networks.Rome：IEEE，2009：1-9.

[3] 王朕，王新華，隋敬麒.機會網絡模擬器ONE及其擴展研究 [J].計算機應用研究，2012，29（1）：272-277.

[4] 徐雙，王興偉，黃敏，等.空間延遲/中斷容忍網絡的接觸圖路由研究綜述 [J].軟件學報，2019，30（2）：323-345.

[5] 王海濤.應急通信的發展現狀和技術手段分析 [J].中國無線電，2010（11）：49-51.

[6] FALL K，FARRELL S. DTN： an architectural retrospective [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2008，26（5）：828-836.

[7] ZHANG Z Z. Routing in intermittently connected mobile ad hoc networks and delay tolerant networks： overview and challenges [J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2007，8（1）：24-37.

作者簡介：董建華（1998—），男，漢族，黑龍江蘭西人，碩士研究生在讀，研究方向：延遲容忍網絡、路由算法。